Что такое археи: отличия между археями и бактериями

Археи: что это?

Археи это (от латинского Archaea — извечный, древний, первозданный, старый) домен живых организмов.

Термин “архей” предложил в 1872 году американский геолог Джеймс Дана. Домены — относительно новый способ классификации. Трёхдоменная система изобретена в 1990 году.

Карл Вёзе предложил трёхдоменную систему: археи,  бактерии  и эукариоты.

Археи представляют собой одноклеточные микроорганизмы, не имеющие ядра, а также каких-либо мембранных органелл.

Установлено, что археи имеют свою независимую эволюционную историю и характеризуются многими биохимическими особенностями, отличающими их от других форм жизни.

Биографические данные: Карл Ричард Везеродился 15 июля 1928 в городе Сиракузы, штат Нью-Йорк.

Американский микробиолог, знаменит по определению архей. В настоящее время Везе — профессор микробиологии в Университете Иллинойса в Урбане — Шампейн.

Таксоны по Везе 

  • Жизнь
  • Домен
  • Царство
  • Тип
  • Класс
  • Порядок
  • Семейство
  • Род
  • Вид

В настоящее время археи подразделяют на 5 типов.

  1. Кренархеоты (Crenarchaeota)
  2. Эвриархеоты (Euryarchaeota)
  3. Корархеоты (Korarchaeota)
  4. Наноархеоты (Nanoarchaeota)

Из этих групп наиболее изученными являются кренархеоты (лат. Crenarchaeota) и эвриархеоты (лат.Euryarchaeota).

Классифицировать архей по-прежнему сложно, т.к. подавляющее большинство из них никогда не выращивались в лабораторных условиях и были идентифицированы только по анализу  нуклеиновых кислот из проб, полученных из мест их обитания.

Среда обитания архей

Археи живут в широком диапазоне сред обитания и являются важной частью глобальной экосистемы, могут составлять до 20 % общей биомассы.

Экстремофилы — выживают при высоких температурах, часто свыше 100 °C, обнаружены в гейзерах, маслосборниках.

Базофилы — приспособились к жизни в очень холодных условиях, в сильносолёных, сильнокислых и сильнощелочных средах, а также при высоком давлении — до 700 атмосфер.Мезофилы – обитают в мягких условиях, в болотистых местностях, сточных водах, океанах и почве.

Форма архей

Отдельные клетки архей достигают от 0,1 до 15 мкм в диаметре и могут иметь различную форму: шарапалочкиспирали или диска.

Некоторые кренархеоты имеют другую форму, например, Sulfolobus— неправильной дольчатой формы; Thermofilum — тонкой нитевидной формы и меньше 1 мкм в диаметре, а Thermoproteus и Pyrobaculum почти идеально прямоугольные. Haloquadratum walsbyi — плоские квадратные археи, живущие в сверхсолёных водоёмах.

Строение архей

У архей обнаружены белки, родственные компонентам цитоскелета других организмов, а так же показано присутствие филаментов в их клетках, однако у архей, в отличие от других организмов, эти структуры плохо изучены.

Размножение архей

Археи размножаются бесполо: бинарным делением, фрагментацией, почкованием.

В отличие от бактерий и эукариот, ни один известный вид архей не формирует спор.

Типы питания архей: таблица

Типы питания Источники энергии Источники углерода Примеры
Фототрофы Солнечный свет Органические соединения Halobakteria
Литотрофы Неорганические соединения Органические соединения или фиксация углерода Ferroglobus
Органотрофы Органические соединения Органические соединения или фиксация углерода Puroccocus

Значение архей

В наше время археи признаны важной составляющей жизни на Земле и играют роль:

В круговоротах углерода и азота.

Ни один из известных представителей архей не является паразитом или патогенным организмом

Часто бывают мутуалистами и комменсалами.

Некоторые представители являются метаногенами и обитают в пищеварительном тракте человека и жвачных, где очень многочисленны и помогают осуществлять пищеварение

Метаногены используются в производстве биогаза и очистке канализационных сточных вод, а ферменты экстремофильных архей, сохраняющие активность при высоких температурах и в контакте с органическими растворителями, находят своё применение в биотехнологии.

Архебактерии: что это?

АРХЕБАКТЕРИИ (археи), группа древних микроорганизмов, иногда выделяемая в самостоятельное царство. Включает более 40 видов.

Морфологически и цитологически близки к эубактериям (истинным бактериям), основное отличие в аппарате синтеза белка. Отличаются также по химическому строению мембран, у многих в клеточной стенке есть белковый слой.

По форме клетки могут быть палочками,  кокками, спириллами и др. Развиваются как в кислородных, так и в бескислородных условиях. Метаногены – высокоспециализированные автотрофные анаэробные археи, для которых уникальная в живом мире реакция синтеза метана служит единственным источником энергии.

Обитают в донных отложениях водоёмов, пищеварительном тракте растительноядных животных. Играют важнейшую роль в биосферных механизмах, являясь главным источником метана на Земле, большинство запасов природного газа в далёком прошлом образовано благодаря деятельности этих бактерий.

Возможно, появились на Земле около 3 млрд. лет назад, когда в атмосфере отсутствовал кислород. Среди архей встречаются виды, способные развиваться при солёности воды, существенно превышающей солёность морской, а также обитающие в горячих источниках, кипящих грязевых котлах и др., способные развиваться при температуре 80—110 °C.

Бактерии Археи

Архе́и (лат. Archaea) — надцарство живых организмов. Археи — одноклеточные прокариоты, на молекулярном уровне заметно отличающиеся как от бактерий, так и от эукариотов.

Отличия наблюдаются в компонентах синтеза белка, структуре клеточной стенки, биохимии (только среди архей есть метаногены) и устойчивости к факторам внешней среды (большая часть — экстремофилы).

Археи очень широко распространены на Земле, приспособлены к обитанию в разнообразных условиях.

Большая их часть — хемоавтотрофы. Среди архей по состоянию на 2003 год был известен лишь один паразитический организм — Nanoarchaeum equitans.

Первые такие организмы были обнаружены в горячих источниках (так, особенно известен источник Бассейн с шампанским в геотермальном регионе Северного острова Новой Зеландии Уаи-О-Тапу).

Однако отличия архебактерий от прочих бактерий были выявлены в 1977 году группой американских учёных во главе с Карлом Вёзе при сравнительном анализе 16s рРНК. При обычном микроскопировании невозможно выделить какие-либо отличия архей от эубактерий, они близки к их грамположительным формам, размножаются, как и эубактерии, бинарным делением, почкованием и фрагментацией.

Археи широко распространены в окружающем мире, занимая, в том числе, и такие экологические ниши, которые недоступны другим живым организмам.

В горячих источниках живут археи-термофилы, устойчивые к температурам +45..+113 °C; психрофилы способны к размножению при сравнительно низких температурах (-10… +15 °C); ацидофилы живут в кислотных средах (pH 1—5); алкалифилы, наоборот, предпочитают щелочи (pH 9—11).

Барофилы выдерживают давление до 700 атмосфер, галофилы живут в соляных растворах с содержанием NaCl 25—30 %. Ксерофилы выживают при минимальном уровне влаги.

Археи распространены в горных породах под морским дном (там обитают как гетеротрофные виды, для которых, возможно, источником углерода служат углеводороды, так и хемоавтотрофные метаноокисляющие археи).

Размеры клеток архей типичны для большинства известных прокариот, средний диаметр — около 1 мкм. Самыми маленькими среди архей являются клетки вида Nanoarchaeum equitans — 0,4 мкм.

Форма клеток разнообразна: встречаются сферические, палочкообразные, спиральные, треугольные и прямоугольные виды; многие имеют жгутики, в состав которых, в отличие от эубактериальных жгутиков, входит несколько видов флагеллинов.

Общая характеристика архей

По форме и размерам клеток, общим принципам их организации и характеру деления археи сходны с бактериями, хотя только среди них обнаружены организмы кубической формы.

Многие археи подвижны и имеют жгутики, похожие на бактериальные, но несколько отличающиеся деталями организации. Однако представители этого домена имеют существенные особенности.

1. Уже было отмечено, что важнейшей особенностью архей является своеобразие их рибосомальных и транспортных РНК, их рибосомы различаются также и по форме. Отличительные черты обнаружены и в других компонентах системы синтеза белка.

2. В отличие от всех других организмов археи в составе мембранных липидов имеют не жирные кислоты, а многоатомные спирты, обычно с 20 или 40 атомами углерода. В последнем случае липидная пластина мембраны образована мономолекулярным слоем, что, вероятно, придает мембране особую прочность.

3. Покровы клеток у разных архей могут иметь различное строение и химический состав, но им часто присуще наличие поверхностных слоев, образованных определенным образом структурированными и регулярно уложенными белковыми или гликопротеидными молекулами правильной или довольно причудливой формы.

Иногда в состав клеточных стенок архей входят пептиды и полисахариды.

4. Некоторые археи осуществляют биохимические процессы, не свойственные никаким другим организмам. Например, только определенные представители архей в процессе своей жизнедеятельности образуют метан.

5. Большинство архей — экстремофилы, то есть развиваются в экстремальных условиях, при высокой температуре, кислотности, в насыщенных солевых растворах.

Археи, видимо, неспособны к паразитизму. По крайней мере к настоящему времени археи, приносящие вред каким-либо другим организмам, неизвестны, хотя среди них много симбионтов, к взаимной пользе живущих совместно с другими организмами. Среди архей много автотрофных форм, не нуждающихся в органической пище и получающих необходимую для жизни энергию за счет окислительно-восстановительных реакций, в которые вовлечены неорганические молекулы.

Отличия архебактерий

Морфологически архебактерии, кратко обозначаемые как археи, не имеют резких отличий от эубактерий.

При большом навыке можно отличить их клетки по некоторой угловатости, но эти отличия не выходят, например, за пределы отличий азотобактера от псевдомонад.

Цитологические отличия их клеток с типично прокариотным строением так же не существенны. Физиологически многие архебактерии относятся к организмам, развивающимся в экстремальных условиях, — экстремофилам. Архебактерии осуществляют такие уникальные процессы, как метаногенез; особый тип фотосинтеза с участием бактериородопсина; использование серных соединений. Основное отличие архей от эубактерий — в аппарате синтеза белка.

Архебактерии отличаются от эубактерий по ряду хемотаксо-номических признаков.

Их мембраны содержат не эфиры глицерина и жирных кислот, а этерифицированы изопреноидами. У эубактерий и эукариот изопреноиды содержатся в боковых цепях хинонов, хлорофиллах, образуются при синтезе холестерина и каучука, но не входят в мембраны. В клеточной стенке архебак-терий цепи полисахаридов и глюкозамина соединены пептидами с иным набором аминокислот, чем у бактерий с муреином, и поэтому получили название псевдомуреина.

Ингибиторы синтеза муреиновой клеточной стенки (антибиотики пенициллин, цикло-серин, ванкомицин, цефалоспорин) не действуют на архебакте-рий. У многих архебактерий клеточная стенка сложена белковыми глобулами, образующими так называемый S-слой, хорошо различимый на электронных фотографиях как упорядоченная поверхность, напоминающая вышивку бисером.

S-слой чувствителен к детергентам.

Такой же слой свойственен ряду бактерий как дополнительное образование на поверхности, а у планктомице-тов S-слой служит основной структурой стенки.

РНК-полимераза архебактерий, как и у эукариот, содержит 9-12 субъединиц, а не 4, как у эубактерий.

Поэтому археи нечувствительны к рифампицину, ингибирующему в низких концентрациях бактериальную РНК-полимеразу. Синтез белка не подавляется у архей хлорамфениколом, циклогексимидом, стрептомицином. Тетрациклин действует на архебактерий гораздо слабее, чем на эубактерий.

Архебактерий входят в три фенотипические группы:

  • 1) мета-нобразующих организмов,
  • 2) экстремальных галофилов.
  • 3) экстремальных термофилов.

В 9-м издании «Определителя бактерий Берджи» архебактерий составляют группы 31-35.

Метаногены (группа 31) осуществляют уникальную в живом мире реакцию синтеза метана и играют важнейшую роль в биосферных механизмах.

Это высокоспециализированные анаэробные организмы, для которых реакция метаногенеза служит единственным источником энергии. Окислителем в реакциях метаногенеза является СО2. Соответственно донорам электрона, метаногены разделяются на три группы:

  • 1) водородные (гидрогенотрофные);
  • 2) ацетокластические;
  • 3) метилотрофные, окисляющие метилированные соединения с группой О, N, S.

Политрофная метаносарцина, способна использовать все три пути.

Царство архебактерии — Archaebacteria

Представители данного царства отличаются друг от друга по типу обмена веществ, физиологическим и экологическим особенностям. Среди них есть хемоавтотрофы и хемогетеротрофы, гетеротрофы, анаэробы и аэробы. При этом, архебактерии имеют много общих признаков, свойственных только им, среди которых наличие однослойных липидопротеидных мембран и клеточной стенки, не имеющей пептидогликанового состава и содержащей псевдомуреин или только белки и полисахариды.

Кроме того, архебактерии не чувствительны к антибиотикам и способны существовать в местообитаниях с экстремальными условиями. Среди архебактерий выделяют три группы: метанообразующие бактерии, галобактерии и термоацидофильные бактерии.

Метанообразующие бактерии

Среди бактерий, образующих метан, встречаются практически все формы (кокки, палочки, спириллы, сарцины, нити).

Существуют мезофильные и термофильные виды. Метанообразующие бактерии – строгие анаэробы. Они представлены автотрофами и гетеротрофами, мезофилами и термофилами, есть и галофильные виды.

Метан образуется при анаэробном разложении органических веществ. Его запасы весьма значительны. К экосистемам, в которых образуется метан, относятся большие территории, занятые тундрой и болотами (отсюда другое название метана – болотный газ); также рисовые поля, осадки на дне прудов и озер, лиманы, отстойники очистных сооружений, желудки (рубцы) жвачных животных.

В анаэробных условиях органические вещества сначала через ряд промежуточных этапов сбраживаются до уксусной кислоты, СО2 и Н2, затем эти продукты метаболизма первичных и вторичных деструкторов используются метанообразующими (метаногенными) бактериями. Происходит превращение СО2 и Н2 в метан, и ацетата в метан и СО2.

К метанообразующим бактериям относятся роды Methanobacterium, Methanococcus, Methanosarcina, Methanospirillum и др.

Галобактерии

Это аэробы и гетеротрофы.

Их находят в условиях сильного засоления: солончаках, солеварнях (где добывают морскую соль), а также в морских отложениях. Галобактерии лучше всего растут с оптимумом концентрации NaCl в среде 20-25%. Такая приспособленность к существованию в столь экстремальных условиях связана с тем, что концентрация соли внутри клетокгалобактерий так же высока, как и в окружающей среде.

Во время массового размножения галобактерий, содержащих каротиноиды, вода кажется ярко-красной.

Галобактерии способны использовать в своем метаболизме и энергию света, которая является дополнением к энергии, полученной путем аэробного окисления субстрата.

Некоторые галобактерии могут расти, получая энергию только в результате фотосинтеза с участием бактериородопсина – пигмента, сходного с родопсином (содержится в зрительных клетках животных).

Экстремально галофильные формы содержат роды Halobacterium и Halococcus.

Термоацидофильные бактерии

Среди них есть и автотрофы и гетеротрофы, ацидофильные и нейтрофильные, аэробные и анаэробные представители. Для термоацидофильных бактерийместом обитания могут служить кислые горячие источники, где эти бактерии окисляют соединения серы до сульфата, самонагревающиеся терриконы угольных шахт, горячие источники на склонах вулканов и на дне морей.

В гидротермальных источниках архебактерии выступают в роли продуцентов органических веществ, потребляемых животной частью сообществ. Термоацидофильные бактерии входят, например, в состав родов Sulfolobus и Thermoplasma.

Царство настоящие бактерии (эубактерии) – Bacteria (Eubacteria)

Настоящие бактериимикроскопически малы и имеют следующие характерные особенности:

  • двухслойные липопротеидные мембраны;
  • в качестве основного структурного компонента клеточной стенки — гликопептид муреин;
  • капсулу, окружающую клеточную стенку (состоит из полисахаридной слизи);
  • разного рода жгутики и разного типа фимбрии;
  • запасные вещества – крахмал, гликоген, волютин (вещество, включающее остатки фосфорной кислоты);
  • большие кольцевые ДНК и плазмиды (небольшие кольцевые ДНК);способность образовывать эндоспоры;
  • по форме среди бактерий выделяют несколько морфологических групп (шаровидные, палочковидные, извитые);
  • для полученияэнергии используют различные органические и неорганические вещества и солнечную энергию;
  • среди них есть автотрофы и гетеротрофы (большинство бактерий);
  • по отношению к кислороду бактерии делятся на: аэробы (существуют только в кислородной среде), анаэробы (отсутствие кислорода — обязательное условие существования) и факультативные анаэробы (живут как в бескислородной, так и в кислородсодержащей средах);
  • с помощью способа окраски анилиновыми красителями (предложен К. Грамом в1884 г.) бактерии могут быть разделены на две группы – грамположительные и грамотрицательные (способность различно окрашиваться связана с различными особенностями структуры и химизма клеточной стенки).
  • в отношении местообитаний многие из бактерий – космополиты.

Разница между археями и бактериями

АРХЕИ (от греческого αρχα?ος — изначальный, древний), архебактерии (Archaea), группа прокариот, выделяемая в отдельную систематическую категорию наравне с истинными бактериями (эубактериями) и ядерными организмами — эукариотами.

Деление прокариот на археи и истинные бактерии было предложено американским биологом К. Везе (1980 год) на основании значительных различий в структуре генома, свидетельствующих о раннем расхождении этих групп организмов в ходе эволюции.

Археи объединяют в домен, который включает три царства: Euryarchaeota (метаногены, сульфатредуцирующие археи, галофилы и некоторые гипертермофилы), Crenarchaeota (только гипертермофилы) и Nanoarchaeota (развиваются только в клетках других архей и неспособны к самостоятельному существованию).

Морфологически археи сходны с бактериями: их клетки размером в среднем 1-2 мкм представляют собой палочки или кокки, в некоторых случаях спириллы, иногда собраны в агрегаты, размножаются делением клетки на две дочерние, подвижные формы снабжены одним или несколькими жгутиками.

В то же время спорообразование у архей неизвестно. Их клетки окружены одним или несколькими слоями белковых или гликопротеиновых молекул (так называемые S-слои), либо оболочкой, сходной с клеточной стенкой грамположительных бактерий, но с другим составом биополимеров, обеспечивающих её прочность.

У некоторых архей она вообще отсутствует, а липиды их цитоплазматической мембраны представлены не эфирами глицерина и жирных кислот, как у бактерий, а ди- или тетраизопреноидными эфирами.

Геномы архей организованы так же, как у бактерий, как правило, в виде одной замкнутой в кольцо молекулы ДНК (хромосомы). Особенности архей проявляются также в нуклеотидном составе транспортной РНК, строении рибосом, структуре фермента ДНК-зависимой РНК-полимеразы, которая по своим характеристикам ближе к РНК-полимеразе эукариот.

Отличия в строении клеточной стенки и аппарата синтеза белка обусловливают устойчивость архей к действию бактериальных антибиотиков. Более того, археям свойственны типы метаболизма и другие биохимические особенности, не обнаруживаемые у представителей бактерий и эукариот.

Большинство известных архей, культивируемых в лаборатории, развиваются в экстремальных условиях, не пригодных для жизни других организмов: при крайне низких значениях окислительно-восстановительного потенциала (метаногены), в сильно кислой или сильно щелочной среде (соответственно ациди- или алкалифилы), высоких значениях температуры (термофилы) и высокой солёности (галофилы).

Исходя из особенностей жизнедеятельности археи делятся на несколько групп. Метаногены (метаногенные археи) — высокоспециализированные строго анаэробные организмы, получающие энергию за счет окисления молекулярного водорода, сопряжённого с восстановлением углекислого газа.

Некоторые из них нуждаются в простых органических соединениях — в том числе уксусной и муравьиной кислотах, метаноле и веществах, содержащих метильную группу. Конечным продуктом их жизнедеятельности является метан СН4. Метаногены завершают в природе разложение органических остатков. Они образуют от 70 до 85% поступающего в атмосферу метана.

Сульфатредуцирующие археи получают энергию в результате восстановления сульфатов до сероводорода Н2S. Они обнаружены в глубоководных горячих источниках и высокотемпературных нефтяных месторождениях, где развиваются при температуре 70-90°С. Среди термофилов и гипертермофилов есть анаэробные археи, использующие в качестве субстрата пептиды и полисахариды и восстанавливающие элементную серу в сероводород.

Многим гипертермофильным археям присущ литоавтотрофный тин метаболизма, при котором источниками энергии служат молекулярный водород или элементная сера, а окислителями — кислород, нитрат-, сульфат- и тиосульфат-ионы и элементная сера. Например, они могут окислять элементную серу и сульфидные минералы в процессе своего развития в аэробных условиях. Окисляющие водород аэробные археи обитают в глубоководных морских горячих источниках, являясь наиболее термоустойчивыми из всех известных организмов. Например, Pyrolobus fumarii имеют оптимум развития при 105°С, а предельной температурой роста является температура 113°С.

Среди термофильных архей немало ацидифилов, живущих не только при высокой температуре (50-80°С), но и в кислой среде (pH 1,0-4,5). Такие условия часто встречаются в горячих источниках вулканического происхождения. Оптимальным для развития некоторых архей является pH 0,7, иногда 0,1 (Picrophilus). Обнаружены также ацидифильные археи, развивающиеся при умеренных температурах и получающие энергию за счёт окисления закисного железа и сульфидных минералов (археи родов Acidianus, Мétallo sphaeta, Sulfolobus).

Галофильные археи обитают в условиях повышенной солёности водоёмов и даже при полном насыщении солями. Эти аэробные организмы обладают уникальным механизмом использования энергии света — бесхлорофильным типом фотосинтеза с участием пигмента бактериородопсина. Галоалкалифильные археи развиваются не только при высокой солёности, но и в сильно щелочной среде (до pH 11,0). Их местообитаниями являются содовые озёра с высокой минерализацией воды.

Археи широко распространены в холодных океанических водах (например, у побережья Антарктики они составляют 34% от общей биомассы прокариот), а также в пресных водоёмах и почвах. Однако культивировать их в лабораторных условиях пока не удаётся, что не позволяет полностью изучить особенности их метаболизма и экологической функции.

Археи относятся к наиболее древним обитателям Земли, наряду с истинными бактериями. Их ископаемые остатки были найдены в отложениях архея. Они вносят значительный вклад в биогеохимические циклы элементов в биосфере. Велико значение архей в биогеотехнологии. Вместе с бактериями они используются при переработке руд, содержащих цветные и благородные металлы (ацидифильные хемолитотрофные археи), обработке органических отходов и получении метана.

cyber
Оцените автора
CyberLesson | Быстро освоить программирование Pascal и C++. Решение задач Pascal и C++
Добавить комментарий